Тема 2. Методы и методические приемы стадиального анализа

1. Все методы САЛ=методы получения исходной информации+методы пользования ею (назовём их методическими приёмами).

2. Методы получения исходной информации — это, главным образом, методы изучения вещества. Причём, хотя САЛ — часть литологии, изучающей твёрдое вещество, для современного выполнения САЛ необходимо пользоваться методами изучения также растворов, газов, органического вещества, в том числе живого (бактерий). Специалист в области САЛ должен быть одновременно литологом, минералогом, гидрогеологом, геохимиком (десятиборье в легкой атлетике). Поэтому коснёмся кратко основных методов получения исходной информации.

а) Визуальное (без микроскопа и др. инструментов) изучение пород (керна) — распиловки, пришлифовки, полировки, фотодокументирование. Уже здесь есть стадиальная информация (показать на фото, на “живых” полировках). Поры, каверны, слоистость, трещины; минерализация трещин нередко может быть определена визуально. Поры заполнены или нет — уже важно. Конкреции — огибание слоистостью.

б) Изучение петрографических шлифов. Определение минералов, их формы, последовательности выделения (примеры: ангидрит – карбонат, карбонат – ангидрит. Минеральные парагенезы (парагенезисы) — совместное нахождение минералов, возникающее в результате их одновременного или последовательного образования. Нередко под парагенезом понимают просто совместное нахождение, что неверно. Например, в песчанике обломочный кварц и кальцитовый цемент. Здесь коснуться понятий “аутигенных и аллотигенных минералов”. Нас в основном интересуют аутигенные минералы. Пример: регенерация (аутигенный кварц) зерён аллотигенного кварца. Примеры парагенезов (сульфат – галит – рисунок, пирит – гипс – окислы железа, объяснить). Запрещённые парагенезы (кварц – кальцит при высоких t и не очень высоких P; сульфат – стеногалинная фауна).

Фотодокументирование шлифа.

в) Электронная микроскопия (просвечивающая, реплики, растровая). Показать. Нужна для изучения мелких деталей. Регенерация, форма, коррозия. Результат — электронно–микроскопические снимки.

г) Рентгеновская дифрактометрия — нужна в первую очередь для изучения глинистых минералов, чрезвычайно дисперсных (сказать о выделении глинистой фракции). Показать типичные дифрактограммы гидрослюды, каолинита, монтмориллонита, хлорита; объяснить смысл прокаливания, насыщения глицерином и этилен–гликолем. Рентгеновский анализ нужен не только для определения минерального состава глин, но и для более тонких исследований глинистого вещества, например, для оценки степени кристалличности глинистых минералов. Это нужно, во–первых, для различения аллотигенных и аутигенных глинистых минералов (гидрослюда, каолинит — примеры), а во–вторых, для оценки степени литогенетической преобразованности отложений (де­тальнее об этом позднее). Рентген — средство не только для изучения глинистых минералов, но и других. Он даёт не только видовой минералогический состав, но и сведения о химическом составе (пример с базальным рефлексом кальцита и со стехиометричностью доломита).

д) Термический анализ (дериватография). Метод сейчас применяется редко. Показать несколько типичных дериватограмм. Применяется для изучения минералогического состава пород и органического вещества

е) Методы определения химического состава твёрдого вещества

Для определения макрохимического состава

1) стандартный (силикатный, мокрый) химический анализ

2) рентгенфлуоресцентный (инструментальный). Точность ниже, но производительность гораздо выше, чем у стандартного химического анализа

Для определения микроколичеств химических элементов (микроэлементного состава)

1) Эмиссионный спектральный (подчеркнуть массовость)

2) Атомно–абсорбционный

3) Пламенно–фотометрический (Na, K)

4) Нейтронно–активационный (подчеркнуть чувствительность)

5) Масс–спектрометрический с индуктивно связанной плазмой (подчеркнуть прогрессивность)

Все эти виды анализа могут применяться как к породам в целом, так и к мономинеральным фракциям. Последнее более ценно, потому что эта информация более определённа, она привязана к конкретному материалу, который образовался в определённый момент жизни породы или осадка. Если же анализируем породу в целом, всегда встаёт вопрос, какой же материал является носителем того или другого химического элемента. Есть разные способы получения монофракций: ручное выделение (из трещин, гнёзд, каверн), бромоформирование, удаление веществ разными растворителями (на­пример, кальцит в доломите трилоном Б). Близкие к изучению состава выделенных монофракций цели преследует метод определения химического состава вытяжек. В зависимости от растворимости минералов, которые хотят изучить с помощью метода вытяжек, применяют водные, уксуснокислые, солянокислые и др. вытяжки (пояснить). Поскольку представляет интерес изучение состава не только мономинеральной фракции, имеющейся в том или другом образце, но и состав отдельных минеральных зерён, то применяют микрозондовый анализ и сканирование состава по площади зерна (или шлифа). Показать примеры из работы Гулиса и Липи.

ж) Методы определения химического состава подземных вод

Это практически те же методы, что и при изучении химического состава твёрдой фазы. Но надо иметь в виду, некоторые виды анализа ориентированы на окончание в твёрдой фазе, а некоторые — на окончание в жидкой фазе. Поэтому вопрос состоит в способе подготовки образцов (пробоподготовке).

з) Метод стабильных изотопов. Применяется к породам, отдельным минералам, растворам и т.д. Метод сложный, трудоёмкий, реализуется на дорогостоящих приборах — масс–спектрометрах, но очень многое даёт для понимания генезиса объектов. Наиболее распространён изотопный анализ С, O, S для пород и минералов, H и O для растворов. Изотопный состав принято выражать следующим образом:

¹⁸O (‰) = (¹⁸O/¹⁶O_обр : ¹⁸O/¹⁶O_станд – 1) · 1000

Так же и для изотопов других химических элементов. За международные стандарты принимаются: для воды — средняя проба тщательно перемешанной воды, отобранной из центральных частей Тихого, Атлантического и Индийского океанов; для твёрдых фаз (пород, минералов) — определённые образцы из некоторых геологических разрезов Америки.

Смысл применения метода стабильных изотопов заключается в том, что есть ряд природных процессов, которые сопровождаются фракционированием, т.е. разделением изотопов. Например, в процессе испарения с поверхности воды отрываются в первую очередь более лёгкие молекулы; поэтому водяной пар имеет более лёгкий изотопный состав кислорода и водорода, чем испаряющаяся вода. Вода, получающаяся при конденсации пара, характеризуется облегченным изотопным составом кислорода и водорода. В результате, к примеру ¹⁸O морской воды близко к нулю, пресные воды на континенте характеризуются обычно отрицательными величинами ¹⁸O, а в морской воде, подвергшейся испарению, т.е. в лагунах, где осаждается соль, ¹⁸O может составить +7...+11 ‰. Такие же соотношения свойственны и подземным водам — производным от тех видов поверхностных вод, о которых мы сказали. Если из названных видов воды будет идти кристаллизация, допустим, карбоната кальция (кальцита), то изотопный состав кислорода в этом кальците будет наследовать изотопный состав кислорода в воде. Более того, установлено, что изотопный состав кислорода в кальците зависит также от температуры, при которой шла кристаллизация, поэтому в некоторых случаях изотопный анализ помогает оценить температуру древнего процесса.

Что касается изотопов углерода (¹³С/¹²С), то очень важно, что органическое вещество и его производные, например, СО₂, получающаяся при его разложении, характеризуются значительно более лёгким изотопным составом, чем кальцит, образующийся в море. Что касается изотопов серы (³⁴S/³²S), то при восстановлении сульфата до сульфида, второй обычно оказывается изотопно более лёгким, чем первый.

Эти и многие другие закономерности и аспекты распределения стабильных изотопов в природных объектах очень важны и полезны при выполнении стадиального анализа. К конкретным примерам применения изотопных данных в стадиальном анализе мы еще будем обращаться.

и) Среди методов, применяющихся для анализа газов, известны объёмный, хроматографический, инфракрасная спектроскопия, масс–спектроскопия. Ведущим методом газового анализа в настоящее время является метод газовой хроматографии.

к) Методы определения общего содержания органических веществ в природных объектах (например, в породах) основаны на оценке количества окислителя (марганцо­вокислый калий, перекись водорода и др.), идущего на окисление образца. Методы же изучения состава органических веществ очень сложны. Они основаны на экстракции органических компонентов и их последующем определении путём применения спектроскопии в ультрафиолетовой, видимой и инфраккрасной областях, ЯМР–спектро­скопии, масс–спектрометрии и др. Для изучения живого органического вещества (бактерий), которое тоже участвует в литогенетических преобразованиях, применяются специальные микробиологические методы.

л) Метод поровых (горных) растворов. Выделение отжиманием при очень высоких давлениях на прессах и химический анализ. Даёт возможность определять состав защемлённых растворов и таким образом приближаться к пониманию условий образования или преобразования породы (пояснить на примере со старооскольской или ланской глиной в зоне пресных вод).

м) Стадиальный анализ немыслим без информации о современных пластовых температурах и давлении в изучаемом разрезе. Эту информацию получают при бурении и испытании скважин с использованием специального но стандартного оборудования (температурные датчики, манометры).

н) Палеотермометрия:

1) отражательная способность ОВ (витринит), максимальные палеотемпературы (об этом позднее). Здесь о том, что палеотемпература может быть не той, что современная.

2) декрепитация, гомогенизация включений (объяснить смысл, показать включения, подчеркнуть, что температура немаксимальная в отличие от температуры по витриниту)

о) Изучение химического и газового состава включений (ультрамикрохимиче­ский анализ, вытяжки, вытягивание шприцами–иголками, криометрия). Сказать о минералах–космополитах и значении изучения включений для познания их природы.

3. Методы или методические приёмы использования и обработки исходной информации

1) Исследование отдельно взятого образца горной породы разными перечисленными выше методами (от полноты исследования зависит качество получаемой информации)

2) Филогенетические ряды: дать пример, возможно с биотитом

3) Установление зональности в геологическом разрезе (показать примеры из Япаскурта, Махнача)

Зональность может отражаться не только в разрезах, но и на картах, схемах (по­казать из моей книги карту)

4) Термодинамические расчёты — дать в упрощённом виде из старых лекций. Есть демонстрационная графика, Показать наши карты по насыщенности. Наложением на наши карты информации об установленных в разрезе аутигенных минералов можно придти к выводу о том, что эти минералы образовались на несовременном этапе или могут образовываться и на современном. Это и есть задача стадиального анализа.

5) Существует множество способов, которые все трудно описать и нелегко объяснить без специальной подготовки (например наши коэффициенты). Некоторые из таких методических приёмов мы рассмотрим позднее в соответствующих частях курса. Главное для исследователя — проявлять побольше фантазии и иметь побольше смелости.

6) Математическая статистика. Азы надо знать. Объяснить смысл сравнения средних.

4. Методология

Даже самый полный перечень методов не даёт представления о методологии, т.е. об общих принципах и подходах научного исследования. Что касается методологии САЛ, то он, как и другие геологические дисциплины, опирается на принцип актуализма, т.е. “настоящее — ключ к познанию прошлого”. Например, диагенез океанических осадков по данным глубоководного бурения. А как ещё можно воочию наблюдать, а не предполагать и строить догадки? Поскольку литогенез — это процессы, протекающие в ходе длительной геологической истории (об этом мы уже говорили), то выполнение САЛ немыслимо без исторического подхода. Поскольку познавать литогенетические изменения лучше и удобнее путём их изучения и сопоставления для разных разрезов и регионов, то САЛ опирается на сравнительный подход. Наконец, поскольку литогенетические преобразования осадочного материала (осадка и породы) протекают под действием органического вещества, t, P, подземных вод и газов, что требует учёта и изучения этих характеристик, то САЛ нуждается в комплексном подходе. Таким образом, методологической основой САЛ является комплексный сравнительно–исторический подход, или метод.